Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика

УДК 656.11:656.078:629.113:504.06

А.А. Сергеев, М.Н. Мисюров, В.И. Кычкин

ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЧАСТКОВ ТРАМВАЙНЫХ ПУТЕЙ В ЦЕЛЯХ СНИЖЕНИЯ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ФАКТОРОВ ДВИЖЕНИЯ

Проведен анализ состояния рельсового пути движения трамвая на участках повышенного шума и вибрации конструкции вагона и подшпального основания. Показано их негативное воздействие на формирование среды городской территории и влияние на человека. Отмечены преимущества применения электротранспорта. Предлагается системное исследование на основе математической модели источников шума при движении трамвая.

Ключевые слова: городской электротранспорт, подшпальное основание, рельсовый путь, математическая модель, динамический процесс, вибрации, шум, диагностика.

А.А. Sergeev, M.N. Misyurov, V.I. Kychkin

VIBRATION DIAGNOSTICS TECHNICAL STATE LAND TRAM TRACKS TO REDUCE UNFAVORABLE FACTORS OF TRAFFIC

The analysis of the poor condition of the track tram in areas of high noise and vibration design of the carriage and polspline base. Shown a negative effect on the formation of the environment urban area the impact of these conditions on the human. Marked advantages of the use of electric vehicles. Offers a systematic research of the sources of noise when carriage moving on the basis of a mathematical model.

Keywords: urban electric vehicle, polsline base, rail track, mathematical model, dynamic process, vibration, noise, diagnostic.

Из всей совокупности маршрутов распределенной городской сети трамвайных путей необходимо установить те, которые в первую очередь нуждаются в восстановительных и ремонтных работах. Однако для решения этой проблемы прежде всего требуется шкала приоритетов с указанием конкретных параметров, характеризующих условия движения и состояния транспортного средства, не соответствующих

351

установленным нормам. Такой системный подход позволяет рационально использовать материальные и денежные ресурсы городского бюджета.

Развитие крупных городов идет быстро, но при этом необходимо обеспечить функциональное состояние всех их систем на требуемом уровне и совершенствовать системы жизнеобеспечения. Большие промышленные центры, мегаполисы по своей сути представляют собой сложную организованную структуру взаимодействующих механизмов сохранения, стабильности и развития, предназначенных для планирования составляющих в единое динамическое интегрирование с эффективным уровнем управления [2].

Загрязнение атмосферного воздуха, шум, дорожно-транспортные происшествия, заторы на дорогах являются проблемами городов, так как состояние среды определяет уровень качества жизни горожан. Пройдя через десятки веков эмпирического, интуитивного и экспериментального развития внутригородского транспорта, современная цивилизация достигла высокого уровня эксплуатируемых транспортных систем, позволяющих удовлетворять потребности общества, комбинируя наилучшим образом отдельные виды транспорта. Диверсификация транспорта явилась прямым следствием эволюции цивилизации с анализом опасности противопоставления человеческого общества и окружающей среды. Каждый сегмент транспортной инфраструктуры и их разноформатность предусматривает выполнение различных функций и использование собственных технологий. Например, автомобильный транспорт обладает явным преимуществом по мобильности, маневренности, индивидуальным энергетическим ресурсам. Однако для него характерно существенное загрязнение атмосферного воздуха городов и резкое сокращение места для свободного перемещения пешеходов, специального транспорта (скорая помощь, пожарная, строительнаятехникаит.п.) [6].

Рост уровня шума в городе резко повышает требования к функциональному взаимодействию пешеходов и водителей автотранспортных средств (АТС) – участников движения (УД) с параметрами окружающей среды как ведущего компонента афферентного синтеза в сложном комплексе локомотивной активности. Городской шум один из наиболее распространенных факторов неблагоприятных условий проживания и трудовой деятельности человека. Шум большой интенсивности вызывает прогрессивные заболевания, снижает трудовую

352

активность. Шумовое воздействие вызывает интенсификацию свободно радикального окисления в организме человека в процессах жизнедеятельности и развитие многих заболеваний. Это связано со снижением эффективности антиоксидантной защиты при воздействии шума на организм и развитием хронического состояния окислительного процесса. В работе [4] приведены экспериментальные данные о зависимости показателей акустического воздействия, например, при параметрах шума 250 Гц и 80Дб (уровень звука) и 2500 Гц и 80 дБ. Снижение антиоксидантной деятельности составляет соответственно 7 и 29 % от исходных значений антиоксидантной емкости. Очевидно, что психофизиологическая и динамическая устойчивость (УД) определяется характеристиками безопасности движения и уровнем комфортности городской среды. Всестороннее исследование экосистемы города, контроль, анализ и наблюдение за изменениями, происходящими под воздействием антропогенных нагрузок, позволяют оценивать качество среды и разрабатывать превентивные мероприятия по снижению уровня негативных воздействий на человека [3].

Цели данной работы – обосновать необходимость и исследовать возможности метода виброакустической диагностики процесса движения трамвая по участкам рельсового пути для реализации превентивных мер по снижению уровня генерирования шума за пределы допустимых норм.

Город Пермь, расположенный на обширной территории, имеет обширную сеть общественного транспорта. Это касается и городского электротранспорта (трамвай, троллейбус). На протяжении всей истории города Перми жители стремились к сохранению природных условий. Однако и сегодня эта проблема далека от своего окончательного решения. Необходимо отметить, что развитие транспорта заключается не только в установлении новых маршрутов и оптимизации траектории движения уже существующей сети, но и в обеспечении инженерных решений, от уровня которых зависит качество и комфортность перевозок пассажиров, усовершенствование уже существующих маршрутов. В ряде случаев на отремонтированных участках трамвайные рельсы положены по новым технологиям с использованием сварных швов, благодаря чему вагоны движутся более плавно, что ведет к снижению шума. Несмотря на масштабность проводимых работ в городе Перми остаются проблемные участки путей, требующие реконструкции и ремонта.

353

Обеспечение снижения шума в условиях города – это системная задача, состоящая в структурировании источников шума и ранжировании их по излучаемой мощности. В состав этой системы, как базиса, входит шум городского электротранспорта. Надежность системы в понимании генерации шума и оценки системы определяется надежностью её компонентов. Процедура снижения шума и принципы обеспечения её работоспособности должна быть корректно связана с элементами системы, т.е. с принципом единичного источника шума [5].

Детальная комплексная шумовая характеристика в оценке интенсивности негативного воздействия электротранспорта на человека позволяет выявить зоны городской территории различной степени шумового фона и степени его изменения при эксплуатации как подвижного состава, так и рельсового пути.

Инновационная активность (ИА) городских властей и бизнеса города Перми ориентирована на выявление точек роста социальноэкономического развития города и сосредоточение усилий на основных направлениях в локальных сетях инноваций. При этом разработана программа «Пермский трамвай», в рамках которой введены в эксплуатацию 45 вагонов современной конструкции с низкопольным вариантом и запрещено движение автомобилей по трамвайным путям. Перспективным является введение в действие скоростного трамвая. Большое значение играет организация движения, в том числе и эффективное управление транспортными потоками в случаях, когда проводятся ремонтные работы на проезжей части. Это и многое другое делается в целях создания комфортной среды проживания для населения города.

В результате оптимизации маршрутной сети в городе станет на 9 автобусных маршрутов меньше. Об этом стало известно на заседании рабочей группы по оптимизации расходов бюджета на транспорт. По ряду улиц автобусы ходить практически перестанут – приоритетным администрация признает электротранспорт. Так, по ул. Мира будут ходить 3 автобусных маршрута. Остальные «сместятся» на шоссе Космонавтов. Троллейбус № 2, проходящий по шоссе Космонавтов, работать не будет – его заместит автобус. Аналогичным образом освобождена под электротранспорт ул. Уральская. Практически все автобусы, проходящие по ней, сместятся на ул. Лебедева. Кроме того, от конечных остановок «разгрузили» центральный рынок, перенаправив часть маршрутов на ул. Мильчакова.

354

На сегодняшний день подготовлен и проходит правовую экспертизу документ под названием «Единая маршрутная сеть города Перми». В основу формирования маршрутной сети заложен приоритет электротранспорта и сокращение числа дублирующих автобусных маршрутов. Масштабному реформированию транспортная сеть не подверглась. Мы понимаем, что это сложившаяся система. Все крайние точки, такие как Голованово, Заозерье, Соболи, в нее включены. Из любой точки города можно без пересадок или с одной пересадкой добраться до любой другой точки города. Существующая маршрутная сеть Перми состоит из 74 автобусных (из них 5 – сезонных), 9 троллейбусных и 10 трамвайных маршрутов. В разработанном варианте число автобусов сократится до 65, троллейбусов – до 8 и трамваев – до 9 маршрутов. О необходимости развития электротранспорта в городе свидетельствуют данные об экологической целесообразности работ [6].

Однако специалисты городского электротранспорта характеризуют ситуацию эксплуатация трамвая с учетом силовых и климатических воздействий как недетерминированную. В связи с влиянием различных факторов, носящих случайный характер, количественная оценка параметров процессов движения, технического обслуживания подвижного состава трамвайных путей и электросетей, восстановление, ремонт по всему комплексу инфраструктуры не представляется однозначным. Такие оценки могут быть только вероятностными, характеризующими влияние возможныхотклоненийотпринятыхнормативныхзначений[7].

Учет случайного характера величин и функций, определяющих возможную модель эксплуатации трамвая, представляет собой задачу оценки безопасности и экономичности всего комплекса внутригородского рельсового транспорта. В этом случае анализ меры риска как вероятности недопустимого ущерба, вызванного эксплуатацией электротранспорта, требует исходной информации на основе установленных фактов в процессе эксплуатации. Для такого рода существенных ограничений авторы рассматривают приближенную модель на основе гипотез: однородные условия, состояние грунта и подшпального основания в виде модели Винклера, удар единичного жесткого колеса для линейной системы, не учитывается работа подвески подрессоренных масс [1].

Авторы исследуют возможности мониторинга и диагностики с интеллектуализацией принятия решения по оценке состояния рельсового путиигенерациишума. Схемадвиженияколесаприведенанарис. 1.

355

Рис. 1. Схема движения колеса вагона по рельсовому пути: 1 – колесо; 2 – рельс; 3 – шпалы; 4 – подшпальное основание; 5 – зазор между рельсами

Математическая модель представлена в виде дифференциального уравнения динамики движения колеса тележки трамвая по рельсовому пути по Даламберу:

my 2m y ky P0 f (t),

где m – масса подвижной части динамической модели; – коэффициент демпфирования; k – жесткость системы; P0 – амплитуда внешней силы; f(t) – функция изменения нагрузки.

Решение дифференциального уравнения при синусоидальном изменения нагрузки представим в виде

присоединенного слоя подшпального основания; – удельный вес грунта; g – 9,8 м/с2; – коэффициент Пуассона материала грунта; E0 – модуль упругости подшпального основания.

Скоростьдинамическогопроцессазапишемследующимобразом:

356

Были проведены численные эксперименты при задании пара-

метров в виде P0 = 20 кН; R = 2·10–2 м; μ = 0,28; ω = 1,13; E0 = 500 Н/м2; h = 0,3 м; γ = 210 Н/м3; θ = 5 … 35 с–1.

На рис. 2. представлено изменение во времени вертикального перемещения подшпального основания. Время процесса составляет 0,5 с, при этом амплитуда вертикальных колебаний уменьшилась в 4 раза. Максимальное значение амплитуды наблюдается при t = 0,07 с.

357

Результаты расчетов виброскорости представлены на рис. 3. Максимальное значение виброскорости отмечается в начале процесса и достигает 4 см/c, через 0,5 с амплитуда виброскорости уменьшилась в 4 раза. Периоды виброперемещений и виброскорости отличаются на 0,03 секунды, и колебания происходят в противофазе.

На рис. 4 представлены результаты виброускорений подшпального основания, характеризующие инерционные нагрузки. Наибольшая инерционная нагрузка отмечается при времени 0,3 с, при этом динамические перемещения равны нулю.

На рис. 5 численный эксперимент демонстрирует значительное снижение виброперемещений рельсового пути при увеличении модуля упругости подшпального основания и частоты внешнего воздействия приводит к уменьшению резонансной амплитуды в два раза.

358

Уровень энергии шума определялся по зависимости [9]

W cSV 2 J ,

где и c – плотность среды и скорость распространения звука в ней; S – площадь контакта; V – колебательная скорость излучающей поверхности; J – коэффициент излучения звука.

При температуре воздуха 15 °С, ρ = 1,255 кг/м3, с = 340 м/с,

S = 0,00012 м2, J = 0,5 – 0,6, V(max) = 0,0382 м/с было получено значение W = 0,0037 … 0,0045 Вт.

Были проведены измерения шума при движении трамвая по некомфортному пути на ул. Пушкина между ул. Попова и Борчанинова. С учетом основных требований к определению шума, изложенных в отраслевом стандарте ССБТ ОСТ 24.040.015-79 «Методы определения характеристик шума путевых машин», был выбран прямой участок со значительными зазорами между рельсами (до 30 мм) без наличия зданий и каких-либо других препятствий между измерительным прибором и трамваем. Измерения проводились с помощью прибора «Многофункциональный измеритель уровня звука SL – 401» с диапазонами измерений 30–130 дБ (А), 32–130 дБ (С), 35–130 дБ (линейной) в диапазоне частот 31,5–8 кГц. Погрешность прибора составляет 0,1 дБ, рабочая температура эксплуатации

–10 °С … +40 °С.

Внешний шум последовательно измерялся в двух точках по бокам трамвая, расположенных на расстоянии 7 м от движущегося вагона по пути 25 м на высоте от уровня рельса 1,6 м. Характеристикой внешнего шума принималось значение, усредненное по двум точкам. В каждой точке было получено 7 результатов измерений, средняя величина измеряемого шума составила 86 дБ (А). Уровень городского шумового фона измерялся в отсутствие подвижного состава и был равен 54 дБ (А).

Перевод расчетных значений уровня энергии шума в дБ был проведен по данным работы [9], и значение уровня шума в дБ составило 81 дБ1. Таким образом, разница составила 6 %.

1 СН 2. 2. 4/2.1.8.562–76

359

Таким образом, представленная модель позволяет получить предварительную информацию об уровне шума и вибрации движущегося по некомфортному участку пути трамвая, позволяющую установить влияние основных параметров движущейся системы на параметры генерированного шума в целях диагностирования технического состояния комплекса.

Список литературы

1.Кычкин В.И., Юшков В.С. Исследование деформационного состояния подшпального основания методом вибрационной диагностики // Народное хозяйство. Вопросы инновационного развития. – 2012. – № 5. – С. 111–118.

2.Вестник Пермского государственного технического университета. Урбанистика / А.О. Алексеев, К.В. Голубев, К.А. Гуреев,

В.А. Харитонов – 2011. – № 1. – С. 21–42.

3. Кириленко Ю.И., Филосов В.К., Фомин В.С. Влияние

иоптокинетические вестибулярные воздействия на надёжность чело- века-оператора в системах управления летательным аппаратом // Кос-

мические исследования. – 1970. – Т. VIII. – Вып. 3. – С. 476–478.

4.Кочергина К.А., Романовский В.Л. Шумовое воздействие

иоксидантный стресс организма // Экология и научно-технический прогресс: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. – С. 311–314.

5.Жеглов Л.Ф. Вибродиагностика колесных машин: учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 135 с.

6.Постников В.П., Дорошенко Р.О. Обоснование необходимо-

сти развития пассажирского электротранспорта в крупном городе с точки зрения экологической эффективности // Экология и промыш-

ленность России. – 2014. – № 8. – С. 45–48.

7.Трофимов Н.А. Защита от вибрации и шума в промышленности: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1999. – 144 с.

8.Иванов Н.И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых

истроительных машинах. – М.: Транспорт, 1987. – 223 с.

9.Клячко. Л.Н. Производственный шум и меры защиты от него

вчерной металлургии. – М.: Металлургия, 1982. – 80 с.

360